研究人员开发了用于生产轻质混合物的独特工艺

作者：杨超月

在具有开创性的新研究中，由明尼苏达州双子城大学领导的国际研究人员团队开发了一种独特的过程来产生既轻又物质的量子态。这一发现为更有效地开发下一代基于量子的光学和电子设备提供了基础性的新见解。该研究还可能对提高纳米级化学反应的效率产生影响。

这项研究发表在《自然光子学》上。

量子科学以最小的尺度研究光和物质的自然现象。在这项研究中，研究人员开发了一种独特的过程，通过将光捕获在金薄层中的微小环形孔中，从而实现了红外光(光子)和物质(原子振动)之间的“超强耦合”。这些孔只有两纳米，比人的头发的宽度小约25,000倍。

这些纳米腔类似于用于发送电信号的同轴电缆的高度缩小版本(例如，进入电视的电缆)，里面充满了二氧化硅，而二氧化硅与窗户玻璃基本相同。基于计算机芯片行业开发的技术，独特的制造方法可以同时生产数百万个这种型腔，并且所有这些型腔同时展现出这种超强的光子-振动耦合。

“其他人已经研究了光和物质的强耦合，但是通过这种设计纳米尺寸同轴电缆的新工艺，我们正在推动超强耦合的前沿，这意味着我们正在发现新的量子态，其中物质和光可以具有非常强的耦合性。明尼苏达大学电气与计算机工程学教授，这项研究的资深作者Sang-Hyun Oh说，不同的特性和不寻常的事物开始发生。“光和原子振动的这种超强耦合为开发新的基于量子的器件或修改化学反应开辟了各种可能性。”

光与物质之间的相互作用是地球生命的中心，它使植物将阳光转化为能量，并使我们能够看到周围的物体。红外光的波长比我们肉眼所见要长得多，它与材料中原子的振动相互作用。例如，当物体被加热时，构成该物体的原子开始更快地振动，发出更多的红外辐射，从而启用热成像或夜视摄像机。

相反，材料吸收的红外辐射的波长取决于构成材料的原子种类以及它们的排列方式，因此化学家可以将红外吸收作为“指纹”来识别不同的化学物质。

通过提高红外光与材料中原子振动的相互作用程度，可以改善这些应用程序和其他应用程序。反过来，这可以通过将光捕获到包含材料的小体积中来实现。诱捕光就像使它在一对镜子之间来回反射一样简单，但是如果使用纳米级金属结构或“纳米腔”将光限制在超小长度尺度上，则可以实现更强的相互作用。。

发生这种情况时，相互作用可能足够强，以至于光和振动的量子力学性质开始起作用。在这种条件下，吸收的能量以足够快的速率在纳米腔中的光(光子)和材料中的原子振动(声子)之间来回传递，以致无法再区分光子和物质声子。在这种条件下，这些强耦合模式会产生新的量子力学对象，这些对象同时是部分光和部分振动，称为极化子。

相互作用越强，可能发生的量子力学效应就越奇怪。如果相互作用变得足够强，则有可能在真空中产生光子，或使化学反应以其他方式无法进行。

路易斯教授说：“令人着迷的是，在这种耦合状态下，真空不是空的。相反，它包含具有由分子振动决定的波长的光子。此外，这些光子受到非常严格的限制，并由极少数分子共享。”该论文的另一位作者，西班牙阿拉贡纳米材料研究所(INMA)的Martin-Moreno。

哦说：“通常，我们认为真空基本上没有，但事实证明，这种真空波动始终存在。” “这是真正利用所谓的零能量波动来做有用的事情的重要一步。”